中心法则各个过程的方向规律

1958年，继与沃森合作发现DNA 的双螺旋结构之后，克里克提出有了有关遗传信息传递的中心法则，此法则表明，信息可由核酸传至核酸，或核酸传至蛋白质，但不能从蛋白质传至核酸。

克里克的中心法则发表后，人们在遗传信息传递研究中又取得了一些新的进展。

1965年科学家在某种RNA病毒里发现了一种RNA复制酶，从此知道了某些RNA也能复制。

1970年，科学家在致癌的RNA病毒中发现逆转录酶，在逆转录酶的作用下，可以由RNA为模板进行DNA的合成。因此，中心法则现修改如下：

中心法则的各个过程包括DNA复制、转录、翻译、逆转录和RNA复制，这些涉及到的物质合成都是有方向的，下面一一简单介绍：

1.DNA的复制：子链的合成方向：5′→3′

DNA的两条链是反向平行的，一条是5′→3′方向，另一条是3′→5′方向。在复制起点处，两条链解开形成复制泡(replication bubble), DNA向两侧复制形成两个复制叉(replication fork)。随着DNA的不断解旋，两条链变成单链形式，可以作为模板合成新的互补链。但是，生物细胞内所有的DNA聚合酶都只能催化5′→3′延伸。因此，以3′→5′的链为模板链时，DNA聚合酶可以沿5′→3′的方向合成互补的新链，这条链称为前导链(leading strand )。当以另一条链为模板时则不能连续合成新链，这条链称为滞后链(lagging strand )。这时，DNA聚合酶从复制叉的位置开始向远离复制叉的方向合成1〜2 kb的新链片段，待复制叉向前移动相应的距离后，又重复这一过程，合成另一个类似大小的新链片段，这些片段被称为冈崎片段(Okazaki fragment)。最后，由另一种DNA聚合酶和DNA连接酶负责把这些冈崎片段之间的RNA引物除去，并把缺口补平，使冈崎片段连成完整的DNA链。这种前导链的连续复制和滞后链的不连续复制在生物细胞中是普遍存在的，称为DNA的半不连续复制。

2.转录：RNA的形成方向：5′→3′

基因的转录是由RNA聚合酶催化进行的。基因的上游具有结合RNA聚合酶的区域，叫作启动子。启动子是一段具有特定序列的DNA，具有和RNA聚合酶特异性结合的位点，决定了基因转录的起始位点。RNA聚合酶与启动子结合后，在特定区域将DNA双螺旋两条链之间的氢键断开，使DNA解旋，形成单链区，以非编码链为模板合成RNA互补链的过程就开始了。

转录的延长是以首位核苷酸的3′-OH为基础逐个加入NTP，形成磷酸二酯键，使RNA逐步从5′向3′端延伸的过程。

3.翻译：核糖体在mRNA上的移动方向：5′→3′

反应涉及mRNA和rRNA之间的碱基配对。细菌mRNA的起始位点由AUG（少数情况下是GUG或UUG）及其上游约10个碱基位置的SD序列（嘌呤六连体5′-AGGAGG-3′）构成。细菌核糖体30S小亚基上的rRNA有一段可与SD序列互补配对的序列（3′-UCCUCC-5′）。这两段序列的互补配对，对起始复合体的形成以及起始反应非常重要。真核生物核糖体的40S小亚基与些起始因子（initiation factor,IF）共同作用，识别mRNA的5′-末端帽结构并扫描mRNA，直到找到起始位点。在起始位点处，核糖体结合在mRNA上，构建成一个包含氨酰-tRNA的起始复合体，核糖体的60S亚基也加入到复合体中。

4.逆转录：cDNA的合成方向：5′→3′

1970年，特明（H.M. Temin）和巴尔的摩（D. Baltimore）证实了RNA病毒中含有一种能将RNA转录成DNA的酶，这种酶被称为依赖RNA的DNA聚合酶，由于与中心法则中的从DNA到RNA的转录是反向的，所以称为反转录酶（reverse transcriptase）。

反转录酶既可以利用DNA又可以利用RNA作为模板合成与之互补的DNA链。像其他DNA聚合酶一样，反转录酶也以5′→3′方向合成DNA。

逆转录也是从RNA的一个特定位置开始的，在逆转录酶的作用下，以dNTP为底物，以RNA为模板，按5′→3′方向，合成一条与RNA模板互补的cDNA单链，它与RNA模板形成RNA-cDNA杂交体。随后又在反转录酶的作用下，水解掉RNA链，再以cDNA为模板合成第二条DNA链。至此，完成由RNA指导的DNA合成过程。

5.RNA复制：子链的合成方向：5′→3′

病毒RNA进入宿主细胞后，可进行复制，即在RNA指导的RNA聚合酶催化进行RNA合成反应。

RNA复制酶催化的合成反应是以RNA为模板，由5′向3′方向进行RNA链的合成。RNA复制酶缺乏校对功能的内切酶活性，因此RNA复制的错误率较高，RNA复制酶只是特异地对病毒的RNA起作用，而宿主细胞的RNA一般并不进行复制。